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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spiegel, insbesondere einen Scannerspiegel umfassend wenigstens einen Spiegelkörper und einen Spiegelhalter und/oder einen Spiegelrotor, wobei der Spiegelkörper eine Spiegelfläche zum Ablenken von Strahlung, bevorzugt von Strahlung eines Lasers, umfasst, wobei bevorzugt der Spiegelhalter und der Spiegelkörper komplementär geformte Verbindungsbereiche und/oder einen gemeinsamen Verbindungsbereich aufweisen zum Haltern des Spiegelkörpers durch den Spiegelhalter. In vielen Anwendungen umfasst ein solcher Scannerspiegel ferner sowohl den Spiegelhalter als auch den mit dem Spiegelhalter verbundenen Spiegelrotor, der ausgelegt ist zur Kopplung an einen Stator zur Ausbildung eines Motors, um die Spiegelfläche zu bewegen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls Bauteile oder Körper in Leichtbauweise, insbesondere solche, die als Teil oder Teilelement der genannten Spiegel geeignet sind. Im Rahmen dieser Anmeldung kann mit „Körper“ auch der Begriff „Bauteil“ gemeint sein, da in vielen Anwendungen die entsprechenden Körper in Leichtbauweise Bauteile einer größeren Einheit sind.
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Optische Komponenten, wie z.B. Spiegel oder Linsenträger und insbesondere Scannerspiegel mit den genannten Eigenschaften kommen beispielsweise in Galvanometer-Scannern zum Einsatz, aber auch in vielen anderen Anwendungen, bei denen eine präzise Ablenkung von Strahlung erforderlich ist bei höchster Torsionssteifigkeit.
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Bei vielen solchen Anwendungen wird der Spiegel, insbesondere der Scannerspiegel, und/oder die Linse häufig sehr schnell bewegt, beispielsweise durch Rotation um die Achse des Rotors oder auch als Ganzes translatorisch, beispielsweise beim Abtasten einer Oberfläche. Dies bedingt verschiedene Anforderungen.
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Der die Spiegelfläche ausbildende Spiegelkörper muss eine ausreichende Stabilität in Bezug auf die wiederholten Bewegungsvorgänge aufweisen, so dass die Spiegeloberfläche die gewünschte Form auch nach einem langen Einsatz mit hoher Beschleunigung beibehält.
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Der Spiegelhalter muss einerseits den Spiegelkörper ausreichend Haltern und ist andererseits regelmäßig Kräften zur Bewegung des Spiegelkörpers bzw. der Spiegelfläche ausgesetzt und muss diese geeignet übertragen. Dabei sollten Formänderung ebenfalls vermieden und bevorzugt vollständig verhindert werden.
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Der Spiegelrotor muss insbesondere auch im langen Einsatz möglichst symmetrisch um die Rotationsachse herum bleiben, da ansonsten eine präzise Ansteuerung der Spiegelfläche nicht mehr möglich ist.
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Diese Anforderungen können teilweise am ehesten mit massiven Elementen oder wenigstens mit Elementen mit wenig inneren Hohlräumen erreicht werden. Solche Elemente haben allerdings ein relativ großes Gewicht, wodurch wiederum entsprechend große Kräfte zur Bewegung notwendig sind, womit die Präzision und Geschwindigkeit der Bewegung der Spiegelfläche reduziert ist und gleichzeitig müssen andere Elemente ausreichend stabil für die entsprechenden Kräfte ausgelegt werden.
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Beispielsweise kann durch einen Spiegelkörper mit relativ wenigen Hohlräumen bei Ausbildung aus einem geeigneten Material eine hohe Lebensdauer bzw. eine langfristig gleiche Ausbildung/Form der Spiegelfläche sichergestellt werden. Jedoch muss entsprechend die Stabilität des Spiegelhalters und in Folge auch eines eventuellen Spiegelrotors an diese große Masse angepasst werden, womit sich insgesamt eine große Masse ergibt. Dadurch steigen die Anforderungen an die Komponenten des den Rotor antreibenden Stators/Motors.
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Somit stellt sich die Aufgabe, einen Spiegel, insbesondere Scannerspiegel anzugeben, der eine Realisierung dieser sich in Teilen ausschließenden Anforderungen ermöglicht, und/oder einen Körper anzugeben, auf Basis dessen sich beispielsweise entsprechende Scannerspiegel oder auch eine Halterung für eine schnell bewegliche Linse realisieren lassen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Spiegel, insbesondere Scannerspiegel gemäß Anspruch 1 und/oder durch einen Körper gemäß Anspruch 15 und/oder durch ein Verfahren nach Anspruch 21. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Scannerspiegels bzw. eines erfindungsgemäßen Körpers ist beispielsweise möglich durch die in der Anmeldung mit der Anmeldenummer
DE 10 2019 206 078 beschriebene 3D-Druckeinrichtung und/oder durch das in dieser Anmeldung beschriebene Verfahren. Entsprechend ist der gesamte Inhalt der Anmeldung mit der Anmeldenummer
DE 10 2019 206 078 durch Verweis hiermit als Teil dieser Beschreibung aufgenommen.
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Die in der
DE 10 2019 206 078 offenbarten Vorrichtungen und Verfahren werden im Rahmen dieser Anmeldung als Vorrichtung bzw. Verfahren mit Nutzung von Bauteilbibliotheken bezeichnet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Spiegel hergestellt mit irgendeinem der in der
DE 10 2019 206 078 offenbarten Verfahren, also hergestellt mit einem Verfahren mit Nutzung von Bauteilbibliotheken. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Spiegel hergestellt mit irgendeiner der in der
DE 10 2019 206 078 offenbarten Vorrichtungen, also hergestellt mit einer Vorrichtung mit Nutzung von Bauteilbibliotheken.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Körper bzw. das erfindungsgemäße Bauteil hergestellt mit irgendeinem der in der
DE 10 2019 206 078 offenbarten Verfahren, also hergestellt mit einem Verfahren mit Nutzung von Bauteilbibliotheken. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Körper bzw. das erfindungsgemäße Bauteil hergestellt mit irgendeiner der in der
DE 10 2019 206 078 offenbarten Vorrichtungen, also hergestellt mit einer Vorrichtung mit Nutzung von Bauteilbibliotheken.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Scanner-spiegel hergestellt mittels einer solchen 3D-Druckeinrichtung und/oder durch ein solches Verfahren. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Körper hergestellt durch eine solche 3D-Druckeinrichtung und/oder durch ein solches Verfahren.
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Ein erfindungsgemäßer Scannerspiegel umfasst bevorzugt einen Spiegelkörper und einen Spiegelhalter, wobei der Spiegelkörper zumindest eine Spiegelfläche zum Ablenken von Strahlung, bevorzugt von Strahlung eines Laserstrahls, umfasst, wobei der Spiegelhalter und der Spiegelkörper komplementär geformte Verbindungsbereiche und/oder einen gemeinsamen Verbindungsbereich aufweisen zum Haltern des Spiegelkörpers durch den Spiegelhalter, wobei der Spiegelkörper und der Spiegelhalter einstückig ausgebildet sind, und der Spiegelkörper und der Spiegelhalter sich wenigstens in einem von Dichte, Steifigkeit, inneres Hohlraumvolumen pro Volumeneinheit, Festigkeit, Dicke/Stärke äußerer Wandelemente und/oder Wärmeausdehnungskoeffizient unterscheiden.
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Durch eine einstückige Ausbildung ist die Stabilität allgemein höher, womit mehr Spielraum hinsichtlich Materialwahl oder innerem Hohlraumvolumen bestehen, wobei die Bereiche Spiegelkörper und Spiegelhalter durch ihre Unterschiede hinsichtlich einer oder mehrerer Eigenschaften gleichzeitig hinsichtlich ihrer jeweiligen Anforderungen optimiert sind.
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Bevorzugt umfasst der erfindungsgemäße Scannerspiegel den Spiegelkörper und einen Spiegelrotor, der bevorzugt mit dem Spiegelhalter - soweit dieser vorhanden ist - verbunden ist, wobei der Spiegelrotor ausgelegt ist zur Koppelung an einen Stator zur Ausbildung eines Motors oder zur Kopplung an einen Motor, um die Spiegelfläche zu bewegen, wobei bevorzugt der Spiegelrotor einstückig mit dem Spiegelkörper ausgebildet ist; und wobei der Spiegelrotor sich wenigstens in einem von Dichte, Steifigkeit, inneres Hohlraumvolumen pro Volumeneinheit, Festigkeit, Dicke/Stärke äußerer Wandelemente und/oder Wärmeausdehnungskoeffizient von dem Spiegelkörper und/oder dem Spiegelhalter unterscheidet.
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Der Spiegelrotor kann beispielsweise für die Koppelung an einen Motor umfassen und/oder versehen sein mit Lagerschalen, Einlegestellen, Ausnehmungen, Vorsprüngen, Nuten, magnetischen Elementen und anderen üblicherweise genutzten Rotorelementen, insbesondere mit für die Koppelung Stator-Rotor üblicherweise genutzten Elementen.
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Besonders bevorzugt umfasst der erfindungsgemäße Scannerspiegel den Spiegelkörper, den Spiegelhalter und den Spiegelrotor.
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Durch die einstückige Ausbildung von Spiegelkörper, Spiegelhalter und Spiegelrotor und mindestens einer unterschiedlichen entsprechenden Eigenschaft ist die Stabilität noch weiter erhöht und die Eigenschaften sind hinsichtlich den konkreten Anforderungen noch weiter verbessert.
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Bevorzugt bestehen Spiegelkörper und Spiegelhalter und/oder Spiegelrotor jeweils aus demselben Material und/oder derselben Materialmischung, bevorzugt vollständig aus demselben Material und/oder aus derselben Materialmischung. Dies erleichtert eine einstückige Herstellung, erleichtert also die Herstellung des erfindungsgemäßen Scannerspiegels. Es ist aber auch möglich den Motor/Rotor oder einen kombinierten Motor-Rotor aus einem anderen Material herzustellen.
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Bevorzugt sind das Material oder die Materialien, aus denen der Spiegelkörper, der Spiegelhalter und/oder der Spiegelrotor bestehen und/oder teilweise bestehen, ausgewählt aus einer Liste umfassend: Titan; Titanlegierungen; Aluminium; Aluminiumlegierungen; Keramiken; Siliciumkarbid; Stahl; Stahllegierungen; Beryllium; und allgemein und/oder alle Werkstoffe, die mittels selektivem Laserschmelzen verarbeitbar sind.
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Im Falle einer Materialmischung können mehrere Materialien aus der Liste ausgewählt sein und der Spiegel gleichmäßig aus dieser Mischung ausgebildet sein.
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In anderen Varianten können Spiegelkörper und Spiegelhalter und/oder Spiegelrotor auch aus verschiedenen Materialien bestehen und/oder lokal verschiedene Materialien aufweisen.
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Dabei sind insbesondere bevorzugt Spiegelkörper und Spiegelhalter und/oder Spiegelrotor insgesamt oder jeweils aus einem Grundmaterial aufzubauen - beispielsweise aus der zuvor genannten Liste ausgewählt - und lokal begrenzt andere Materialien vorzusehen - beispielsweise aus der zuvor genannten Liste ausgewählt. Beispielsweise ist denkbar bei Herstellung mittels selektivem Laserschmelzens allgemein ein bestimmtes Material oder eine bestimmte Materialmischung als Grundpulver zu verwenden und an bestimmten Stellen kleinflächig oder gar nur linienförmig ein anderes Material oder eine andere Materialmischung aufzutragen - jeweils bevorzugt ausgewählt aus der zuvor genannten Liste.
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Dann kann der Spiegel lokal begrenzt oder gar nur in einer dünnen Schicht entlang einer Linie ein anderes Material/eine andere Materialmischung aufweisen. Beispielsweise kommt in Frage, innere Strukturen - gerade für die Festigkeit relevante - ganz oder teilweise aus anderen Materialien/Materialmischungen auszubilden als beispielsweise die Spiegelfläche. Im Falle von inneren Fachwerk- und/oder Rippenstrukturen kommen hierfür insbesondere Kreuzungs-/Berührungspunkte der Fachwerk-/Rippenstrukturen in Frage.
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Bevorzugt weisen der Spiegelkörper und/oder die Spiegelfläche einen Durchmesser und/oder eine Apertur zwischen 10 und 200 mm auf, besonders bevorzugt zwischen 30 und 80 mm.
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Bevorzugt umfassen Spiegelkörper und Spiegelhalter und/oder Spiegelrotor jeweils eine andere innere Versteifungsrippenstruktur gebildet aus Flächenelementen, wobei die Flächenelemente bevorzugt durch mindestens zwei beabstandete Oberflächen gebildet sind. Durch unterschiedlich ausgebildete Versteifungsrippenstrukturen in unterschiedlichen Bereichen kann der jeweilige Bereich hinsichtlich der Anforderungen optimiert werden, während gleichzeitig eine Versteifungsrippenstruktur ein leichtes Gewicht begünstigt. Die beabstandeten Flächen müssen nicht in allen Geometrie-Bereichen parallel sein.
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Die Ausbildung mit Versteifungsrippenstruktur ist eine besonders vorteilhafte Weise, den erfindungsgemäßen Scannerspiegel in Leichtbauweise auszubilden.
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Eine Versteifungsrippenstruktur kann ähnlich wie eine Fachwerkstruktur aus geraden Balken und/oder ebenen Flächen bestehen, mit entsprechenden Kreuzungspunkten/-linien.
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Aber eine Versteifungsrippenstruktur kann erfindungsgemäß auch optimiert gekrümmte Flächenelemente umfassen, die sich in Knotenbereichen kreuzen, nahe kommen oder berühren, bevorzugt ähnlich kreuzen, nahe kommen oder berühren wie eine Fachwerkstruktur. Optimiert werden die gekrümmten Flächenelemente dabei so, dass sie die Bedingung für die optimierte Steifigkeit des Gesamtkörpers erfüllen.
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Bevorzugt kommen die Flächenelemente in Knotenbereichen einander nahe und/oder sie berührten sich und/oder sie kreuzen sich, wobei sich die Versteifungsrippenstrukturen von Spiegelkörper einerseits und Spiegelhalter und/oder Spiegelrotor in Dichte der Knotenbereiche, mittleren Abständen der Knotenbereiche und/oder mittlerer Abstand der Flächenelementen in den Knotenbereichen unterscheiden.
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Die Variierung dieser Eigenschaften ist technisch relativ leicht realisierbar und kann zur Ausbildung von unterschiedlichen Eigenschaften genutzt werden.
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Bevorzugt weist jedes Flächenelement mindestens eine Stelle einer Oberfläche mit einer von null verschiedenen Krümmung, Hauptkrümmung, Gaußschen Krümmung und/oder mittleren Krümmung auf.
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Es hat sich gezeigt, dass aus solchen Flächenelementen gebildete Versteifungsrippenstrukturen besonders gut zur Ausbildung bestimmter Eigenschaften sind, insbesondere Steifigkeit, Stabilität und/oder Festigkeit, bei gleichzeitig geringem Gewicht.
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Bevorzugt umfasst jede Versteifungsrippenstruktur mindestens ein Flächenelement, bevorzugt mehrere Flächenelemente, besonders bevorzugt nur Flächenelemente mit überall auf den Oberflächen von null verschiedener Krümmung, Hauptkrümmung, Gaußscher Krümmung und/oder mittlerer Krümmung.
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Es hat sich gezeigt, dass aus solchen gekrümmten Flächenelementen gebildete Versteifungsrippenstrukturen besonders gut zur Ausbildung bestimmter Eigenschaften sind, insbesondere Steifigkeit, Stabilität und/oder Festigkeit, bei gleichzeitig geringem Gewicht.
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Besonders bevorzugt sind die Flächenelemente bzw. jeweils mehrere Flächenelemente als Rippen bzw. Versteifungsrippen ausgebildet.
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Diese Rippen bzw. Versteifungsrippen sind besonders bevorzugt so ausgebildet, dass sie mathematisch beschreibbar sind durch Verdrehung und/oder Tordierung eines ebenen Flächenelements, beispielsweise um eine das ebene Flächenelement schneidende und bevorzugt in dem ebenen Flächenelement liegenden Gerade, und stetigem Anfügen eines weiteren verdrehten und/oder tordierten Flächenelements. Durch Aneinanderfügen von mehreren solchen Flächenelementen ergibt sich eine sich in einer Raumrichtung erstreckende periodische Struktur.
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Dabei sind sowohl Anordnungen denkbar, bei denen sich die Rippen so nahe sind, dass es an Berührungsstellen zur Berührung/Überschneidung der tordierten Flächenelemente kommt. Aber auch Anordnungen ohne Berührung, beispielsweise wenn benachbarte tordierte Flächenelemente in gleicher Weise tordiert sind und/oder wenn der Abstand zu groß ist. In vielen Fällen sind Versteifungsrippen mit Berührungsstellen für die Stabilität besser.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Versteifungsrippe auch als Schraubfläche bzw. als mehrere stetig aneinander angefügte Schraubflächen ausgebildet sein, wobei sich eine oder mehrere Perioden ergeben. Alternativ oder zusätzlich kann eine Versteifungsrippe auch als Regelfläche ausgebildet sein, wobei durch jeden Punkt der Regelfläche genau eine Gerade geht, die ganz in der Fläche enthalten ist, wobei die Geraden dieser Regelfläche betrachtet entlang einer Erstreckungsrichtung der Versteifungsrippe um einen konstanten oder sich entlang der Versteifungsrippe verschiebenden Punkt drehen und/oder tordieren, so dass sich ebenfalls eine oder mehrere Perioden entlang der Versteifungsrippe ergeben.
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Mit „zusätzlich“ ist hier bevorzugt gemeint, dass eine Versteifungsrippe abschnittsweise entsprechend einer der genannten Varianten ausgebildet sein kann und sich an diesen Abschnitt dann stetig ein Abschnitt der Versteifungsrippe anfügt, der einer anderen Variante entspricht, wobei sich ein solcher Wechsel mehrfach wiederholen kann.
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Bevorzugt werden mehrere solcher verdrehten und/oder tordierten Rippen bzw. Versteifungsrippen und/oder Rippen entsprechend den anderen oder mehreren Varianten ausgebildet, die sich in derselben Richtung erstrecken. Dabei sind diese bevorzugt so nahe zueinander, dass sich periodisch die jeweiligen Flächenelemente bei entsprechender Drehung/Tordierung berühren, bevorzugt mit derselben Periode, mit der sich die Rippe selbst wiederholt.
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Dabei ist bei allen solchen Rippen, insbesondere den verdrehten und/oder tordierten Rippen, die Rippenhöhe die Länge einer Periode, also auch bevorzugt der Abstand zwischen zwei Berührungsstellen von zwei benachbarten Rippen bzw. zwischen zwei Stellen mit minimaler Entfernung von zwei benachbarten Rippen bzw. zwischen zwei Knoten betrachtet entlang der Geraden, um die eine Fläche tordiert ist.
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Der Rippenabstand ist bevorzugt der maximale Abstand zwischen zwei benachbarten Rippen oder bevorzugt der mittlere Abstand zwischen zwei benachbarten Rippen. Im Falle von benachbarten Rippen ohne Berührungsstellen kann der Rippenabstand auch der minimale Abstand zwischen zwei benachbarten Rippen sein. Unter Abstand ist hier die Distanz zwischen den jeweils einander zugewandten Oberflächen der Rippen oder zwischen den jeweiligen geometrischen Mitten der Rippen zu verstehen. Minimal und maximal bezieht sich entweder auf die gesamte Rippenlänge oder auf eine einzelne Periode.
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Unter Rippenabstand kann alternativ oder zusätzlich der Abstand zwischen den Berührungsstellen von einer Rippe und einer benachbarten Rippe und den Berührungsstellen von der benachbarten Rippe und der übernächsten Rippe in einer Richtung orthogonal zu der Geraden verstanden werden, um die eine Fläche tordiert ist. Dies entspricht in vielen Fällen dem mittleren Abstand und/oder ist exakt der mittlere Abstand zwischen benachbarten Rippen, insbesondere wenn alle Rippen mathematisch dieselbe tordierte Fläche sind, die lediglich von einer Rippe zur nächsten translatorisch verschoben ist, insbesondere orthogonal zu der Geraden, um die eine Fläche tordiert ist.
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Es hat sich gezeigt, dass ein Rippenabstand zwischen 0,01 und 10 mm und/oder eine Rippenhöhe zwischen 0,01 und 10 mm besonders vorteilhaft ist.
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Das gilt insbesondere für Spiegeldicken von 1 bis 10 mm, wobei unter Spiegeldicke bevorzugt der Abstand zwischen der Spiegelfläche und einer gegenüberliegenden Gegenfläche zu verstehen ist und/oder die maximale Dicke des Spiegelkörpers entlang einer Achse orthogonal zur Spiegelfläche. Die Spiegeldicke muss nicht überall gleich sein, der Körper könnte z.B. auch zu den Spiegelseiten hin abflachen, um die Massenverteilung und damit das Torsionsverhalten noch zusätzlich zu optimieren.
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Der Krümmung, Hauptkrümmung, Gaußsche Krümmung und/oder mittlere Krümmung der Flächenelemente liegt bevorzugt zwischen 20 und 60 Grad. Besonders bevorzugt ist alternativ oder zusätzlich die Krümmung entlang einer Linie, die bei den nicht verdrehten und/oder nicht tordierten Flächenelementen parallel zu der Richtung verläuft bzw. verlaufen würde, in der sich die aus den verdrehten und/oder tordierten Flächenelementen bestehende Rippe bzw. Versteifungsrippe erstrecken, zwischen 20 und 60 Grad.
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Bevorzugt sind die Flächenelemente so ausgebildet, dass jedes Flächenelement und/oder jede Oberfläche jedes Flächenelements jeder Versteifungsrippenstruktur mathematisch durch genau eine Spline-Fläche, eine Spline-Funktion, einen Spline und/oder eine Spline-Flächenfunktion beschreibbar ist, bevorzugt vollständig. Besonders bevorzugt ist jedes Flächenelement durch genau eine B-Spline-Fläche und/oder eine B-Spline-Funktion und/oder einen B-Spline und/oder eine B-Spline-Flächenfunktion beschreibbar, bevorzugt vollständig.
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Allgemein ist eine Versteifungsrippenstruktur insbesondere mit gekrümmten Flächenelementen zwar momentan am ehesten durch selektives Laserschmelzen herstellbar und dieses erfordert eigentlich einen komplexen Rechenaufwand, um die jeweiligen beim selektiven Laserschmelzen zu verfestigenden Schichten zu bestimmen. Aber die Modellierung durch Splines bzw. B-Splines erlaubt eine besonders einfache Herstellung mit entsprechenden 3D-Druckvorrichtungen und/oder 3D-Druckverfahren, denn die Bestimmung der Verfestigungsbereiche ist bei einer aus Splines/B-Splines bestehenden Versteifungsrippenstruktur erheblich einfacher als die sonst übliche vollständige 3-dimensionale Modellierung. Das Bauteil wird nicht wie sonst üblich in einem CAD System modelliert, sondern die gesamte Spiegelgeometrie wird durch eine mathematische Funktion berechnet. Dabei wird das Resultat gleich als Slice-Modell (also Schichtdaten) ausgegeben und kann sofort mit der 3D-Druckmaschine realisiert werden. Für die Berechnung werden nur einige wenige einzustellenden Parameter definiert, die schnell eine Variation von möglichen Geometrielösungen repräsentieren. So kann schnell eine Varianz von unterschiedlichen Probespiegeln erzeugt werden, die dann auf einem geeigneten Prüfstand getestet werden um die endgültige Geometrie zu erfassen.
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Das erlaubt schnell rekursiv optimierte Scannerspiegel herzustellen, indem anhand der B-Splines bekannter Scannerspiegel mit bekannten Eigenschaften B-Splines für neue Scannerspiegel numerisch so abgeschätzt/berechnet werden, dass diese noch mehr hinsichtlich gewünschter Eigenschaften optimiert sind als bisherige Scannerspiegel. Dies kann insbesondere durch Herstellung mit einem Verfahren mit Nutzung von Bauteilbibliotheken und/oder mit einer Vorrichtung mit Nutzung von Bauteilbibliotheken ausgeführt bzw. hergestellt werden.
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Bevorzugt umfassen die in dieser Weise erfassten/genutzten Eigenschaften auch einige oder alle der folgenden Eigenschaften:
- - äußere geometrische Umrandung des Spiegelkörpers, insbesondere deren Länge und Breite;
- - Dicke des Spiegelkörpers, wobei diese bevorzugt 0-10mm beträgt;
- - Dicke der Spiegelfläche, wobei diese bevorzugt 100-1000µm beträgt;
- - Abstand, insbesondere mittlerer, durchschnittlicher, kleinster und/oder größter Abstand der inneren Spline-Flächen, wobei dieser bevorzugt 0-10 mm beträgt;
- - Dicke der inneren Spline-Flächen, wobei diese bevorzugt 0-1000µm beträgt;
- - Wellendurchmesser und Länge des Spiegelrotors, wobei der Wellendurchmesser bevorzugt 1-15mm beträgt, wobei alternativ oder zusätzlich die Länge des Spiegelrotors bevorzugt 1-200mm beträgt; und/oder
- - Auslegung, Maße des Spiegelhalters.
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Bevorzugt umfasst jede Versteifungsrippenstruktur mindestens ein Flächenelement, bevorzugt mehrere Flächenelemente, besonders bevorzugt nur Flächenelemente mit einem nicht konstanten Abstand zwischen den beiden Oberflächen. Mit anderen Worten, einige oder alle Flächenelemente können eine nicht konstante Dicke aufweisen.
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Bevorzugt umfasst jede Versteifungsrippenstruktur mindestens ein Flächenelement, bevorzugt mehrere Flächenelemente, besonders bevorzugt nur Flächenelemente mit einem konstanten Abstand zwischen den beiden Oberflächen, so dass das Flächenelement durch eine Oberfläche und eine Dicke beschreibbar ist. Mit anderen Worten, einige oder alle Flächenelemente können eine konstante Dicke aufweisen.
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Dabei können in einigen Ausführungsformen nur Flächenelemente mit konstanter Dicke vorteilhaft sein, in anderen nur solche mit nicht konstanter Dicke und in wieder anderen Ausführungsformen ist die Nutzung von Flächenelementen sowohl mit konstanter als auch mit nicht-konstanter Dicke vorteilhaft.
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Bevorzugt sind insbesondere auch Flächenelemente mit konstanter und technisch minimal erreichbarer Dicke. Welche Dicke vorliegt richtet sich in diesen bevorzugten Ausführungsformen und anderen Ausführungsformen somit auch oft teilweise nach der Vorrichtung, mit der der Spiegelkörper hergestellt wird. Insbesondere kann dies abhängig sein beispielsweise von einem Strahl- oder Fokusdurchmesser und/oder von einer Strahlleistung und/oder von einer Bestrahlungsdauer und/oder von einer Scangeschwindigkeit einer Bestrahlungseinrichtung einer Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen und/oder auch von einem verwendeten Werkstoffpulver (diese Parameter beeinflussen den minimalen Durchmesser eines aufgeschmolzenen Bereiches, also die minimale Spurbreite, was die minimale Dicke bestimmt, und damit auch die durchschnittliche Dicke sowie die technisch leicht erzeugbaren Dicken bestimmt). Die minimale Dicke hängt aber auch vom der 3D-Druck-Anlage ab. Je kleiner die verwendete Korngröße des Pulvers und umso kleiner der verfügbare Laserfokus und damit die Energiedichte ist desto dünner ist die resultierende dünnste zu erzeugende Schmelzspur.
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Dies bedeutet auch, dass die Dicke bzw. die Dicken bzw. die mittlere Dicke im Rahmen der Herstellung eines erfindungsgemäßen Spiegelkörpers und/oder Körpers mittels selektivem Laserschmelzens noch nicht unabänderlich vorgegeben sind, sondern auch dynamisch während der Herstellung festgelegt bzw. eingestellt werden können.
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Bevorzugt ist/sind der/die Verbindungsbereich/e von Spiegelkörper und Spiegelhalter gekrümmt, bevorzugt teilweise Ellipsen- oder Kreisbogenförmig, besonders bevorzugt mit einem Brennpunkt im Spiegelkörper.
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Dies erlaubt eine optimierte Halterung, so dass eine gute Halterung bei geringem Gewicht ermöglicht ist.
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Bevorzugt ist der Spiegelrotor zylinderförmig, bevorzugt ein senkrechter Zylinder, besonders bevorzugt ein Kreiszylinder, wobei der Spiegelrotor bevorzugt Ausnehmungen und/oder Vorsprünge in einem Kopplungsbereich aufweist zur Kopplung an einen Stator zur Ausbildung eines Motors und/oder zur Kopplung an einen Motor und/oder zur Aufnahme von Kopplungselementen wie Spulen und/oder Magnete und/oder Lager.
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Ebenfalls ist es denkbar zusätzlich oder alternativ in oder am Spiegelrotor entsprechend magnetisierbare, magnetische und/oder elektromagnetische Elemente für eine magnetische und/oder elektromagnetische Kopplung an einen Stator zur Ausbildung eines Motors und/oder zur Kopplung an einen Motor vorzusehen.
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Ferner kann der Spiegelrotor auch aus einem Material ausgebildet sein und/oder ein Material umfassen, das ohnehin magnetische Eigenschaften aufweist und für sich damit zur magnetischen und/oder elektromagnetischen Kopplung an einen Stator und/oder Motor ausreichend ist.
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Dadurch ist der erfindungsgemäße Spiegel und/oder Scannerspiegel unmittelbar in den meisten bekannten Vorrichtungen verwendbar.
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Bevorzugt weisen Spiegelkörper, Spiegelhalter und/oder Spiegelrotor mindestens eine Durchgangsöffnung und/oder -kanal in einem äußeren Wandelement auf. Eine solche kann insbesondere leicht in einen Spiegel als Nachbearbeitung gebohrt werden, wenn die Herstellung des Spiegels ansonsten abgeschlossen ist.
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Bevorzugt ist diese eine Durchgangsöffnung und/oder dieser Durchgangskanal geeignet zur Zuführung von einem Kühlmedium, bevorzugt einem Gas, einer Flüssigkeit und/oder einem Fluid von außerhalb des äußeren Wandelements bzw. außerhalb des Spiegels in einen inneren Hohlraum hinein, um den Spiegelkörper, den Spiegelhalter und/oder den Spiegelrotor zu kühlen. Das Kühlmedium könnte auch durch die Spiegelrotorwelle dem eigentlichen Spiegel zugeführt werden. So werden Spiegel und Rotor gleichzeitig gekühlt. Die inneren Spline-Flächen (Rippen) könnten auch zusätzlich als Strömungsleitflächen ausgeformt sein, sodass eine optimierte Gas-/Fluidführung und damit Kühlung erfolgen kann.
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Bevorzugt erfolgt die Zuführung eines Kühlmediums durch seitliche Wandelemente, die die Spiegelfläche mit einer Gegenfläche verbinden. Alternativ oder zusätzlich können einige und/oder alle dieser seitlichen Wandelemente auch entfallen, sofern eine innere Struktur für eine ausreichende Verbindung von Spiegelfläche und Gegenfläche sorgt. Bevorzugt umfassen die seitlichen Wandelemente Löcher für die Zufuhr von Kühlmedium und/oder sind gekrümmt ausgebildet.
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Besonders bevorzugt wird deshalb das Kühlmedium an einem seitlichen Wandelement und/oder an einem offenen seitlichen Wandelement und/oder einer offenen Seite zugeführt und tritt besonders bevorzugt an einem gegenüberliegenden seitlichen Wandelement und/oder an einem gegenüberliegenden offenen seitlichen Wandelement und/oder einer gegenüberliegenden offenen Seite wieder aus, insbesondere bevorzugt so dass die Strömungsbewegung im Wesentlichen parallel zur Spiegelfläche erfolgt.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Kühlmedium auch über den Spiegelrotor zu- und/oder abgeführt werden.
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Bevorzugt weist der Spiegel im Inneren Kühlkanäle auf zum Führen eines kühlenden Fluids oder Gases innerhalb des Spiegels. Bevorzugt kann solch ein Kühlkanal von einem von Spiegelkörper, Spiegelhalter und/oder Spiegelrotor zu einem anderen von Spiegelkörper, Spiegelhalter und/oder Spiegelrotor verlaufen, besonders bevorzugt von einer Durchgangsöffnung einer äußeren Wandung zu einer weiteren Durchgangsöffnung dieser oder einer anderen äußeren Wandung, um einen Kühlkreislauf auszubilden.
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Besonders bevorzugt bestehen die Wände der Kühlkanäle wenigstens teilweise aus einigen der Flächenelemente. Besonders bevorzugt ist die Form dieser Flächenelemente optimiert zur Erzeugung von Kühleffekten und/oder Strömungen.
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Dadurch lässt sich eine Kühlung realisieren, welche insbesondere für Scannerspiegel vorteilhaft ist.
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Bevorzugt ist der Spiegel abgesehen von den einstückigen Elementen noch dahingehend weitergebildet, dass Spiegelkörper, Spiegelhalter und/oder Spiegelrotor insbesondere in äußeren Wandungen Löcher, Ausnehmungen, Abschrägungen und/oder Vorsprünge umfassen und/oder der Spiegel an oder im Spiegelkörper, Spiegelhalter und/oder Spiegelrotor angebrachte Elemente umfasst, insbesondere Klemm-, Trimmungs-, Passform- oder magnetische Kopplungselemente, um den Spiegel für eine Bewegung zu trimmen und/oder zur Koppelung und/oder Verbindung mit einer Aufnahme, einer Halterung, einem Rotor, einem Stator und/oder einem Motor.
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Diese Weiterbildung kann insbesondere auch durch nachträgliche Bearbeitung bzw. Nachbearbeitung erfolgen, indem entsprechende Löcher oder Ausnehmungen gebohrt werden und/oder entsprechende Elemente angebracht, angeklebt und/oder anderweitig an oder in Spiegelkörper, Spiegelhalter und/oder Spiegelrotor angebracht werden, nachdem ein bestimmter erster Herstellungsprozess abgeschlossen ist, beispielsweise das allgemeine Aufbauen des Spiegels mittels selektivem Laserschmelzen. Bevorzugt ist allerdings Material zu entfernen, da ein Hinzufügen das Gewicht erhöht.
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Eine Anpassung der Passform kann insbesondere auch erst dann vorgenommen werden, wenn der Spiegel beispielsweise mit einem Stator oder einem Motor gekoppelt werden soll. Eine Trimmung kann insbesondere auch erst nach Koppelung mit einem Stator oder einem Motor erfolgen anhand einer Messung und/oder Beobachtung der Bewegung des Spiegels mittels des Stators/Motors.
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Besonders bevorzugt ist der Spiegelhalter in einem Verbindungsbereich, insbesondere zur Verbindung mit einem Rotor, teil-zylinderförmig ausgebildet. Also insbesondere als Zylinder, der sich nicht über den vollen Winkel von 360° erstreckt sondern über weniger, bevorzugt weniger als 270° und besonders bevorzugt weniger als 180°.
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Bevorzugt umfasst der Spiegel noch ein Klemmelement und/oder ein Passformelement, das ebenfalls teil-zylinderförmig ist in etwa entsprechend dem am Spiegelhalter vom Teilzylinder freigelassenen Bereich. Durch Verbinden des Klemmelements mit dem Spiegelhalter kann der Spiegelhalter und damit der einstückig damit ausgebildete Spiegelkörper mit beispielsweise einem Spiegelrotor verbunden werden.
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Ohne Anbringung des Klemmelements ist der Spiegelkörper einfacher zu bearbeiten, da bevorzugt der teil-zylinderförmige Spiegelhalter sich nur um einen so großen Winkel erstreckt, dass er in einer Richtung nicht über Spiegelfläche und/oder Gegenfläche übersteht. Damit können Spiegelkörper und Spiegelhalter wenigstens auf einer Seite flach liegend positioniert werden, was beispielsweise einen Poliervorgang erleichtert.
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Bevorzugt ist der Spiegelhalter so ausgebildet, dass Spiegelkörper und Spiegelhalter auf wenigstens einer Seite flach liegend positioniert werden können, bevorzugt auf beiden. Dies ist beispielsweise erzielbar dadurch, dass der Spiegelhalter eine geringere Höhe als der Abstand Spiegelfläche zu Gegenfläche aufweist und/oder indem wie zuvor geschildert der Spiegelhalter bei Verbindung mit dem Spiegelrotor durch Passform- und/oder Klemmelemente ergänzt wird.
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Bevorzugt umfasst der Spiegel noch ein Klemmelement und/oder ein Passformelement, das ebenfalls teil-zylinderförmig ist in etwa entsprechend dem am Spiegelhalter vom Teilzylinder freigelassenen Bereich. Durch Verbinden des Klemmelements mit dem Spiegelhalter kann der Spiegelhalter und damit der einstückig damit ausgebildete Spiegelkörper mit beispielsweise einem Spiegelrotor verbunden werden.
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Ohne Anbringung des Klemmelements ist der Spiegelkörper einfacher zu bearbeiten, da bevorzugt der teil-zylinderförmige Spiegelhalter sich nur um einen so großen Winkel erstreckt, dass er in einer Richtung nicht über Spiegelfläche und/oder Gegenfläche übersteht. Damit können Spiegelkörper und Spiegelhalter wenigstens auf einer Seite flach liegend positioniert werden, was beispielsweise einen Poliervorgang einer Spiegelfläche erleichtert.
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Bevorzugt ist der Spiegelhalter so ausgebildet, dass Spiegelkörper und Spiegelhalter auf wenigstens einer Seite flach liegend positioniert werden können, bevorzugt auf beiden. Dies ist beispielsweise erzielbar dadurch, dass der Spiegelhalter eine geringere Höhe als der Abstand Spiegelfläche zu Gegenfläche aufweist und/oder indem wie zuvor geschildert der Spiegelhalter bei Verbindung mit dem Spiegelrotor durch Passform- und/oder Klemmelemente ergänzt wird.
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Ein erfindungsgemäßer Körper umfasst eine äußere Wandung und eine innere Versteifungsrippenstruktur, wobei die Versteifungsrippenstruktur aus Flächenelementen gebildet ist, wobei die Flächenelemente bevorzugt durch mindestens zwei beabstandete Oberflächen gebildet sind und/oder begrenzt sind, wobei bevorzugt die Flächenelemente in Knotenbereichen einander nahekommen, sich berühren und/oder sich kreuzen, wobei der Körper einstückig ausgebildet ist, und
wobei jedes Flächenelement und/oder jede Oberfläche jedes Flächenelements mathematisch durch genau eine B-Spline-Fläche und/oder eine B-Spline-Funktion und/oder einen B-Spline und/oder eine B-Spline-Flächenfunktion vollständig beschreibbar ist.
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Ein solcher Körper kann zwar gerade als erfindungsgemäßer Scannerspiegel ausgebildet sein. Jedoch hat eine Versteifungsrippenstruktur aus Flächenelementen in Form von B-Splines sich überraschend vorteilhaft hinsichtlich Stabilität und Leichtigkeit erwiesen, so dass ein erfindungsgemäßer Körper auch grundsätzlich vorteilhaft ist für andere Anwendungen bzw. als Element oder Teilelement anderer Anwendungen.
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Bevorzugt weist mindesten ein, bevorzugt mehrere und bevorzugt jedes innere Flächenelement eines erfindungsgemäßen Körpers mindestens eine Stelle einer Oberfläche mit einer von null verschiedenen Krümmung, Hauptkrümmung, Gaußschen Krümmung und/oder mittleren Krümmung auf.
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Bevorzugt weist ein erfindungsgemäßer Körper mindestens ein inneres Flächenelement, bevorzugt mehrere innere Flächenelemente, besonders bevorzugt nur innere Flächenelemente auf mit einer überall auf den Oberflächen von null verschiedenen Krümmung, Hauptkrümmung, Gaußsche Krümmung und/oder mittlere Krümmung auf.
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Solche Flächenelemente mit einer oder mehreren Arten von durchgehenden aber nicht konstanten Krümmungen haben sich hinsichtlich Stabilität und Leichtigkeit als besonders optimal erwiesen.
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Bevorzugt weist ein erfindungsgemäßer Körper mindestens ein Flächenelement, bevorzugt mehrere Flächenelemente, besonders bevorzugt nur Flächenelemente auf mit einem nicht konstanten Abstand zwischen den beiden Oberflächen.
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Bevorzugt weist ein erfindungsgemäßer Körper mindestens ein Flächenelement, bevorzugt mehrere Flächenelemente, besonders bevorzugt nur Flächenelemente auf mit einem konstanten Abstand zwischen den beiden Oberflächen, so dass das Flächenelement durch eine Oberfläche und eine Dicke beschreibbar ist.
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Beides lässt sich auch kombinieren, also einige Flächenelemente mit konstanter Dicke und einige mit nicht-konstanter Dicke.
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Je nach Anwendung kann durch Wahl entsprechender Flächenelemente mit entsprechenden Dicken bzw. Abständen eine gewünschte Eigenschaft eines erfindungsgemäßen Körpers optimiert werden.
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Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Körper als Zylinder, Spiegel, Scanner-spiegel, Linsenhalter, Strömungsleitelement, Schraube, Leichtbauelement und/oder Isolierelement ausgebildet.
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Bevorzugt kann die Versteifungsrippenstruktur des erfindungsgemäßen Körpers auf jede Art und Weise ausgebildet, ausgeformt und/oder geformt sein, wie dies hinsichtlich der Versteifungsrippenstruktur, den Rippen und/oder den Versteifungsrippen hinsichtlich des erfindungsgemäßen Scannerspiegels beschrieben ist. Insbesondere kann die Versteifungsrippenstruktur des erfindungsgemäßen Körpers die hinsichtlich des Scannerspiegels beschriebenen Rippen bzw. Versteifungsrippen umfassen.
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Bevorzugt sind das Material oder die Materialien, aus denen der erfindungsgemäße Körper besteht oder wenigstens teilweise besteht, ausgewählt aus einer Liste umfassend: Titan; Titanlegierungen; Aluminium; Aluminiumlegierungen; Keramiken; Siliciumkarbid; Beryllium; Stahl; Stahllegierungen; Werkstoffe, die mittels selektivem Laserschmelzen verarbeitbar sind.
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Im Falle einer Materialmischung können mehrere Materialien aus der Liste ausgewählt sein und der Körper gleichmäßig aus dieser Mischung ausgebildet sein.
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In anderen Varianten kann der Körper auch aus verschiedenen Materialien bestehen und/oder lokal verschiedene Materialien aufweisen, beispielsweise wie in Bezug auf den erfindungsgemäßen Spiegel geschildert, insbesondere beispielsweise durch Herstellung mittels selektivem Laserschmelzen mit Grundpulver und lokal bzw. linienweise aufgetragener alternativer Materialmischung.
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Dann kann der Körper lokal begrenzt oder gar nur in einer dünnen Schicht entlang einer Linie ein anderes Material/eine andere Materialmischung aufweisen. Beispielsweise kommt in Frage, innere Strukturen - gerade für die Festigkeit relevante - ganz oder teilweise aus anderen Materialien/Materialmischungen auszubilden als beispielsweise die Außenflächen des Körpers. Insbesondere die Flächenelemente, vor allem in Knotenbereichen, hierfür in Frage.
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Bevorzugt sind bei einem erfindungsgemäßen Scannerspiegel der Spiegelkörper, der Spiegelhalter und/oder der Spiegelrotor einzeln oder gemeinsam als ein erfindungsgemäßer Körper ausgebildet.
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Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Körper mit einigen, mehreren oder allen Merkmalen ausgebildet, die in Bezug auf den erfindungsgemäßen Scanner-spiegel in dieser Anmeldung genannt werden, beispielsweise hinsichtlich der Materialien. Insbesondere erfindungsgemäße Körper, die ähnlich schnellen Bewegungen ausgesetzt sind wie ein Scannerspiegel, beispielsweise ein Linsenhalter, kommen dafür in Frage, mit hinsichtlich des Scannerspiegels offenbarten Merkmalen versehen zu sein/zu werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Körpers oder einem erfindungsgemäßen Spiegel mit Rippenstruktur umfasst die folgenden Schritte:
- a) Messung von interessierenden Eigenschaften bei Körpern und/oder Spiegeln des herzustellenden Typs mit bekannten Rippenabständen und/oder Rippenhöhen;
- b) Festlegung von Zielwerten für einige oder alle der interessierenden Eigenschaften für den herzustellenden Körper und/oder Spiegel;
- c) Extrapolation, Schätzung und/oder Berechnung von Rippenabstand und/oder Rippenhöhe, die den Zielwerten entsprechend;
- d) Herstellung des herzustellenden Körpers und/oder Spiegels mit Rippenhöhe und/oder Rippenabstand entsprechend der in Schritt c) bestimmten Werte,
wobei Schritte a) und b) in beliebiger Reihenfolge erfolgen können, wobei Schritt d) bevorzugt nach und/oder gleichzeitig mit Schritt c) ausgeführt wird.
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Dieses Verfahren erlaubt eine erheblich schnellere Berechnung von Herstellungsdaten für einen erfindungsgemäßen Körper/Spiegel, denn die Berechnung der komplexen dreidimensionalen inneren Struktur reduziert sich auf Extrapolation/Abschätzungen/Berechnungen unter Verwendung von zwei Größen, nämlich Rippenabstand und Rippenhöhe, wobei dennoch ein hinsichtlich interessierender Eigenschaften und den erwünschten Zielwerten optimierter Körper/Spiegel herstellbar ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren erläutert.
- 1 bis 4 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Scannerspiegels in schematischer Draufsicht.
- 5 zeigt einen Schnitt durch den Scannerspiegel aus 1 entlang einer Ebene, die orthogonal zur Spiegelfläche ist und die die Rotations- bzw. Mittelachse des Spiegelrotors enthält.
- 6 zeigt vereinzelt verschiedene Flächenelemente, die Versteifungsrippenstrukturen im Inneren des Scannerspiegels aus 5 ausbilden.
- 7 zeigt eine dreidimensionale schematische Ansicht eines Teils einer Rippenstruktur mit tordierten Flächen angeordnet auf der Rückseite einer Spiegelfläche.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Scannerspiegel 10 umfassend einen Spiegelkörper 12 mit einer Spiegelfläche 14 zum Ablenken von Strahlung, einem Spiegelhalter 16 und einen Spiegelrotor 18.
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Der Spiegelrotor 18 ist zur Verbindung mit einem nicht gezeigten Stator zur Ausbildung eines Motors vorgesehen, so dass der Spiegelrotor 18 um die Rotationsachse 19 bzw. Mittelachse 19 drehbar ist. Dies kann beispielsweise erfolgen durch Anordnung des Spiegelrotors 18 in einem Stator, so dass sich entsprechende Statorwicklungen um den Spiegelrotor 18 herum befinden und magnetisch eine Drehung des Spiegelrotors 18 bewirken können.
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Dadurch lässt sich die Spiegelfläche 14 drehen und so es lässt sich bestimmen, in welcher Richtung auftreffende Strahlung reflektiert wird.
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Dabei ist der erfindungsgemäße Scannerspiegel einstückig ausgebildet, so dass Spiegelkörper 12, Spiegelhalter 16 und Spiegelrotor 18 ein einziger zusammenhängender Körper sind und/oder einen einzigen zusammenhängenden Körper bilden. Dennoch können wie im Beispiel in 1 gezeigt, Trennwände zwischen den Bereichen Spiegelkörper 12, Spiegelhalter 16 und Spiegelrotor 18 des einstückigen erfindungsgemäßen Scannerspiegels 10 existieren. Aber andere Ausführungsformen können auch keine Trennwände zwischen Spiegelkörper 12, Spiegelhalter 16 und/oder Spiegelrotor 18 aufweisen.
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Erfindungsgemäß unterscheiden sich Spiegelkörper 12, Spiegelhalter 16 und Spiegelrotor 18 in wenigstens einer der Eigenschaften Dichte, Steifigkeit, inneres Hohlraumvolumen pro Volumeneinheit, Festigkeit, Dichte/Stärke äußere Wandelemente und/oder Wärmeausdehnungskoeffizient.
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Dabei können die in Dichte/Stärke unterschiedlichen äußeren Wandelemente sowohl die Wandelemente bzw. Wandungen zwischen dem jeweiligen Element und dem Außenraum sein, als auch die jeweiligen aneinandergrenzenden Wandelemente zwischen Spiegelscanner 12 und Spiegelhalter 16 bzw. Spiegelhalter 16 und Spiegelrotor 18.
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Erfindungsgemäß ist ein erfindungsgemäßer Scannerspiegel 10 somit einstückig ausgebildet und weist dennoch unterschiedliche Eigenschaften in den Teilbereichen Spiegelkörper 12, Spiegelhalter 16 und Spiegelrotor 18 auf.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das sich von dem in 1 dadurch unterscheidet, dass keine Wandelemente die unterschiedlichen Bereiche voneinander trennen. Dennoch unterscheiden sich die unterschiedlichen Bereiche voneinander, beispielsweise im inneren Hohlraumvolumen pro Volumeneinheit.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem sich der Bereich Spiegelhalter 16 in den Bereich des eigentlich kreisförmigen Spiegelkörpers 12 hinein erstreckt.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Spiegelhalter 16 wenigstens in der gezeigten Draufsicht den Spiegelkörper 12 rundherum umgibt.
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Das Ausführungsbeispiel in 4 enthält einstückig ausgebildet am Spiegelrotor 18 Eingriffsvorsprünge 17 zur Kopplung an einen Motor, so dass der Spiegelrotor 18 durch mechanischen Kraftübertrag angetrieben werden kann und damit beispielsweise keine magnetischen Elemente zur magnetischen Kopplung an einen Stator benötigt.
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In ähnlicher Weise können auch Eingriffsvorsprünge und/oder Ausnehmungen an den anderen gezeigten Ausführungsbeispielen vorgesehen werden.
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Ebenfalls ist es denkbar in oder am Spiegelrotor 18 entsprechend magnetische und/oder elektromagnetische Elemente für eine magnetische und/oder elektromagnetische Kopplung an einen Stator zur Ausbildung eines Motors vorzusehen.
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Ferner kann der Spiegelrotor auch aus einem Material ausgebildet sein und/oder eine Material umfassen, das ohnehin magnetische Eigenschaften aufweist und für sich damit zur magnetischen und/oder elektromagnetischen Kopplung an den Stator ausreichend ist.
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5 zeigt einen erfindungsgemäßen Scannerspiegel 10 ausgebildet als erfindungsgemäßer Körper 20, wobei die Ansicht eine Schnittansicht entlang der Rotationsachse 19 in 1 entspricht.
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Der erfindungsgemäße Körper 20 und damit der erfindungsgemäße Scannerspiegel 10 umfasst in dieser Ausführungsform eine äußere Wandung, die im gezeigten Ausführungsbeispiel auch die Spiegelfläche 14 ausbildet, wobei das innere des Körpers 10 durch die Versteifungsrippenstrukturen 23, 25 und 27 ausgebildet ist.
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Dabei unterscheidet sich der in 5 gezeigte erfindungsgemäße Scannerspiegel 10 in seinen unterschiedlichen Bereichen dadurch, dass der erfindungsgemäße Scannerspiegel 10 als erfindungsgemäßer Körper 20 realisiert ist, der in den unterschiedlichen Bereichen Spiegelkörper 12, Spiegelhalter 16 und Spiegelrotor 18 unterschiedliche Versteifungsrippenstrukturen 23, 25 bzw. 27 aufweist.
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Die Versteifungsrippenstruktur 23 besteht dabei aus Flächenelementen 22 und 24, die spiegelsymmetrisch zueinander sind, wobei eine einzelne Versteifungsrippe durch Aneinanderfügen der Flächenelemente 22 und 24 ausgebildet ist, wie dies in 6 angedeutet ist.
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Die Versteifungsrippen der Versteifungsrippenstruktur 23 sind dabei aus solchen Flächenelementpaaren 22, 24 ausgebildet, die jeweils in unterschiedlicher Orientierung bzw. Spiegelung abwechselnd angeordnet sind und sich jeweils in Knotenbereichen 21 kreuzen.
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Dabei ist das einzelne Flächenelement 22, 24 vollständig durch eine einzelne B-Spline-Fläche bzw. eine einzelne B-Spline-Funktion bzw. eine einzelne B-Spline-Fläche beschreibbar, wobei die Flächenelemente 22, 24 noch eine Dicke aufweisen.
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Dadurch ist die Versteifungsrippenstruktur
23 des Spiegelkörpers
12 mathematisch beschreibbar und kann insbesondere entsprechend mit der in der Anmeldung
DE 10 2019 206 078 gezeigten Vorrichtung bzw. mit dem gezeigten Verfahren hergestellt und insbesondere hinsichtlich der Eigenschaften optimiert werden.
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Wie erläutert unterscheiden sich die Bereiche Spiegelkörper 12, Spiegelhalter 16 und Spiegelrotor 18 in dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Scannerspiegels nicht in der Stärke der Wandelemente sondern hauptsächlich durch eine andere Versteifungsrippenstruktur 23, 25 bzw. 27. Mit dieser anderen Versteifungsrippenstruktur sind auch Unterschiede im inneren Hohlraumvolumen pro Volumeneinheit bedingt.
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Im Gegensatz zur Versteifungsrippenstruktur 23 des Spiegelkörpers 12 umfasst die Versteifungsrippenstruktur 25 des Spiegelhalters 16 lediglich ein Flächenelement 26, das mit seiner eigenen Spiegelung in zwei Knotenbereichen 21 gekreuzt ist (allerdings ist ein Knotenbereich 21 so nah an der Außenwand, dass er beinahe und/oder tatsächlich in die Außenwand übergeht).
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Das Flächenelement 26 ist dabei mit einem ähnlichen B-Spline beschreibbar wie das Flächenelement 22, wobei eine andere Skalierung verwendet wird, so dass sich das Flächenelement 26 über die gesamte Höhe des Spiegelhalters 16 erstreckt.
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Die Versteifungsrippenstruktur 27 des Spiegelrotors 18 ist aus etwas bauchiger ausgebildeten Flächenelementen 28 ausgebildet, wobei das Flächenelement 28 wiederum durch einen einzelnen B-Spline, eine einzelne B-Spline-Fläche bzw. eine einzelne B-Spline-Flächenfunktion oder eine einzelne B-Spline-Funktion beschreibbar ist. Die Dicke ist dabei geringer als bei den Flächenelementen 22, 24 und 26. Die Spline-Flächen sollen in der Rotorwelle sowohl Festigkeit optimieren, als auch als Strömungsleitflächen funktionieren.
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Ferner unterscheidet sich die Versteifungsrippenstruktur 27 noch dadurch, dass die Versteifungsrippenstruktur 27 eine geringere Dichte an Knotenbereichen aufweist, nämlich null, und entsprechend keinen definierten mittleren Abstand der Knotenbereiche aufweist.
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Hingegen weist die Versteifungsrippenstruktur 23 eine höhere Dichte an Knotenbereichen und einen geringeren mittleren Abstand zwischen Knotenbereichen auf als die Versteifungsrippenstruktur 25.
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Im in 5 gezeigten erfindungsgemäßen Körper 20 weisen alle Flächenelemente 22, 24, 26 und 28 überall eine von null verschiedene Krümmung auf. Dies ist eine Möglichkeit, die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Körpers 10 bei Ausbildung zur Nutzung als erfindungsgemäßer Scanner-spiegel 20 zu optimieren, damit den Anforderungen an Scannerspiegel möglichst genüge getan wird.
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Zwar sind die Vorteile des erfindungsgemäßen Körpers 20 hinsichtlich der erfindungsgemäßen Scannerspiegel 10 gezeigt worden. Jedoch kann ein erfindungsgemäßer Körper 20 mit einer Versteifungsrippenstruktur mit entsprechenden Eigenschaften auch vorteilhaft für andere Anwendungszwecke sein.
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Zwar ist der erfindungsgemäße Scannerspiegel 10 in einer Ausführungsform ausgebildet als erfindungsgemäßer Körper 20 gezeigt worden. Jedoch ist der erfindungsgemäße Scannerspiegel 10 nicht hierauf beschränkt und kann beispielsweise auch mit gleichen Versteifungsrippenstrukturen oder auch gar keinen Versteifungsrippenstrukturen in den Bereichen Spiegelkörper 12, Spiegelhalter 16 und Spiegelrotor 18 ausgebildet sein, da für manche Anwendungen von Scannerspiegeln Unterschiede zwischen den Bereichen in anderem als innerer Versteifungsrippenstruktur vorteilhaft sein können.
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Zwar ist der erfindungsgemäße Körper 20 in der gezeigten Ausführungsform ein Scannerspiegel. Jedoch ist der erfindungsgemäße Körper 20 nicht hierauf beschränkt und kann beispielsweise auch als anderer Gegenstand ausgebildet sein, vorteilhaft als Zylinder, Spiegel, schnell beweglicher leichter Linsenhalter, Strömungsleitelement, Schraube, Leichtbauelement und/oder Isolierelement. Das Strömungsleitelement kann auch eine Spline-Struktur sein, die auch innerhalb des Spiegels und des Rotors als Geometrie verwendet werden kann. Ebenfalls ist es denkbar, einen erfindungsgemäßen Körper insgesamt als Strömungsleitelement auszubilden - also zum Leiten eines den Körper umströmenden oder durch strömenden Fluids oder Gases, wobei die innere Struktur des Körpers in der geschilderten Weise optimiert ist, beispielsweise um ein oder dasselbe Fluid oder Gas (Inertgas) innerhalb des Körpers zu leiten (beispielsweise in erster Linie zur Kühlung) oder zu lagern unter gleichzeitigen Erzielung einer hohen Steifigkeit.
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In 7 ist auf der Rückseite und/oder Innenseite einer Spiegelfläche 14 schematisch ein Teilbereich einer Rippenstruktur eines erfindungsgemäßen Körpers gezeigt, um eine mögliche erfindungsgemäße dreidimensionale Gestalt der Rippenstruktur eines erfindungsgemäßen Körpers zu verdeutlichen.
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Die Rippenstruktur besteht aus mehreren gleichartigen und sich in derselben Richtung erstreckenden Rippen 54, die mathematisch gebildet sind durch tordieren von jeweils einem einzelnen länglichen Flächenelement um die und/oder entlang der Längsachse.
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Mit anderen Worten, eine Rippe 54 ergibt sich mathematisch, indem bezogen auf 7 links unten mit einer Querkante des länglichen Flächenstücks in bestimmter Orientierung begonnen wird. In Richtung bezogen auf 7 rechts oben wird dann das Flächenstück jeweils weiter verdreht, so dass die Punkte der Längskanten projiziert entlang der Richtung links unten nach rechts oben in 7 einen Kreis und/oder eine Ellipse ergeben. Dabei ist unter der Richtung links unten nach rechts oben insbesondere eine Richtung parallel zu der Richtung zu verstehen, die in 7 der Linie mit Bezugszeichen 50 entspricht.
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Die sich mathematisch so ergebende Rippenstruktur ist unter anderem definiert durch die Rippenhöhe 50, die der Länge entspricht, entlang der die Punkte der Seitenkante eine Drehung um 180° vollzogen haben. Alternativ kann die Rippenhöhe auch definiert werden als die Länge, entlang der die Rotation 360° ist, was dann im Allgemeinen der doppelten der in 7 gezeigten Höhe entspricht.
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Die Rippenstruktur ist unter anderem definiert durch den Rippenabstand 52, der hier der Abstand in der Richtung quer zur links unten nach rechts oben Richtung 50 zwischen Knoten/Berührungspunkten von Nachbarrippen 54 ist. Insofern benachbarte Rippen 54 sich nicht nur in Punkten berühren, sondern flächig überlappen, ist der Rippenabstand 52 bevorzugt von den Punkten aus betrachtet, an denen die flächige Überlappung beginnt/endet.
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Es kommt insbesondere für alle Varianten eines erfindungsgemäßen Körpers und/oder Spiegels 10 infrage, zur Optimierung mehrere Körper herzustellen und/oder mehrere ohnehin bereits hergestellte Körper /Spiegel 10 zu betrachten, die sich in Rippenabstand und/oder Rippenhöhe unterscheiden oder die sich nur in Rippenabstand und/oder Rippenhöhe unterscheiden.
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Anschließend werden die Körper vermessen hinsichtlich interessierender Eigenschaften wie beispielsweise Gewicht und/oder Stabilität und/oder Haltbarkeit. Soll dann ein weiterer Körper dieser Art mit anderen interessierenden Eigenschaften hergestellt werden, kann aus den zu bestimmten Rippenhöhen und Rippenabständen zugeordneten vermessenen Eigenschaften mathematisch extrapoliert und/oder geschätzt werden, welcher Rippenabstand und/oder welche Rippenhöhe am ehesten einen Körper mit den gewünschten Eigenschaften ergeben wird.
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Zu unterscheiden ist hierbei zwischen der mathematischen Darstellung/Beschreibung und dem realen Gegenstand bzw. dessen Herstellung. So ist zwar mathematisch ein Knotenbereich als Überlapp zwischen zwei oder mehr tordierten Flächen zu verstehen. Für die Herstellung werden jedoch nicht reale Flächen tordiert und z. B. im Überlappbereich aneinander geklebt.
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Sondern es wird beispielsweise in einem 3D-Druckverfahren eine Struktur hergestellt, die von der Form her der mathematisch beschriebenen entspricht. Die mathematische Beschreibung des Körpers (Spiegel, etc) wird direkt in ein Schichtenmodell (Layermodell) des Bauteils übertragen und kann sofort in eine 3D-Druckanlage erzeugt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019206078 [0012, 0013, 0014, 0015, 0125]
